PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬志明

引言：隨著人們對生活水平要求的不斷提高和經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的需求，水對人民生活與工業(yè)生產(chǎn)的影響日益加強(qiáng)，人民對供水質(zhì)量和供水系統(tǒng)可靠性的要求不斷提高。把先進(jìn)的自動化技術(shù)、控制技術(shù)、通訊及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到供水領(lǐng)域，成為對供水系統(tǒng)的新要求。PLC的恒壓供水系統(tǒng)集變頻技術(shù)、電氣技術(shù)以及PLC控制技術(shù)于一體。采用該系統(tǒng)進(jìn)水供水可以提高供水系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，方便地實(shí)現(xiàn)供水系統(tǒng)的集中管理和監(jiān)控；同時系統(tǒng)具有良好的節(jié)能性，這在能量日益緊缺的今天尤為重要，所以研究設(shè)計(jì)該系統(tǒng)，對于提高企業(yè)效率以及人民的生活水平、降低能耗等方面具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、基本原理、結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計(jì)的總體方案

（一）變頻恒壓控制

供水系統(tǒng)的供水部分主要由水泵、電動機(jī)、管道和閥門等構(gòu)成。通常由異步電動機(jī)驅(qū)動水泵旋轉(zhuǎn)來供水，并且把電機(jī)和水泵做成一體，通過變頻器調(diào)節(jié)改變定子供電頻率來改變同步轉(zhuǎn)速而實(shí)現(xiàn)調(diào)速，從而改變水泵的出水流量而實(shí)現(xiàn)恒壓供水。

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，出口總管網(wǎng)的實(shí)際供水壓力跟隨設(shè)定的供水壓力。水壓由壓力傳感器的信號4-20mA送入變頻器內(nèi)部的PID模塊，與用戶設(shè)定的壓力值進(jìn)行比較，并通過變頻器內(nèi)置PID運(yùn)算將結(jié)果轉(zhuǎn)換為頻率調(diào)節(jié)信號，以調(diào)整水泵電機(jī)的電源頻率，從而實(shí)現(xiàn)控制水泵轉(zhuǎn)速。

如果實(shí)際供水壓力低于設(shè)定壓力，變頻器將得到正的壓力差，這個差值經(jīng)過變頻器轉(zhuǎn)換PID計(jì)算變頻器輸出頻率的增加值，該值就是為了減小實(shí)際供水壓力與設(shè)定壓力的差值，將這個增量和變頻器當(dāng)前的輸出值相加，得出的值即為變頻器當(dāng)前應(yīng)該輸出的頻率。該頻率使水泵機(jī)組轉(zhuǎn)速增大，從而使實(shí)際供水壓力提高，在運(yùn)行過程中該過程將被重復(fù)，直到實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等為止。如果運(yùn)行過程中實(shí)際供水壓力高于設(shè)定壓力，情況剛好相反，變頻器的輸出頻率將會降低，水泵的轉(zhuǎn)速減小，實(shí)際供水壓力因此而減小。同樣，最后調(diào)節(jié)的結(jié)果是實(shí)際供水壓力和設(shè)定壓力相等。

（二）PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)構(gòu)成總體方案

1、供水系統(tǒng)總體組成

泵站基于PLC的恒壓供水控制系統(tǒng)。系統(tǒng)共有兩臺水泵，兩臺水泵分別由M1、M2電動機(jī)拖動，由KM1、KM2、KM3接觸器控制。系統(tǒng)采用了S7-300型PLC（cpu 313c，16個輸入點(diǎn)，16個輸出點(diǎn)）、三棱變頻器FR-A740、壓力傳感器、浮子式液位開關(guān)及其他控制設(shè)備。供水系統(tǒng)壓力傳感器裝于管網(wǎng)出口，儲水池水位監(jiān)測浮子液位開關(guān)傳感器裝于儲水池頂部。

系統(tǒng)分為：執(zhí)行機(jī)構(gòu)、信號檢測機(jī)構(gòu)、控制機(jī)構(gòu)三大部分，具體為：

（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)：執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由一兩臺水泵組成，它們用于將水供入用戶管網(wǎng)。1號泵可工頻運(yùn)行，也可變頻運(yùn)行；2號泵只變頻運(yùn)行。由變頻調(diào)速器控制、可以進(jìn)行變頻調(diào)整的水泵，用以根據(jù)用水量的變化改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以維持管網(wǎng)的水壓恒定。

（2）信號檢測機(jī)構(gòu)：在系統(tǒng)控制過程中，需要檢測的信號包括管網(wǎng)水壓信號、水池水位信號和報(bào)警信號。管網(wǎng)水壓信號反映的是用戶管網(wǎng)的水壓值，它是恒壓供水控制的主要反饋信號。此信號是模擬信號，輸入變頻器；水池水位信號反映儲水池的高水位情況，水位過高時發(fā)出報(bào)警。此信號來自安裝于水池中的液位傳感器；報(bào)警信號反映系統(tǒng)是否正常運(yùn)行，水泵電機(jī)是否過載、變頻器是否有異常，該信號為開關(guān)量信號。

（3）控制機(jī)構(gòu)：供水控制系統(tǒng)一般安裝在供水控制柜中，包括PLC控制器、變頻器和電控設(shè)備三個部分。PLC控制器是整個變頻恒壓供水控制系統(tǒng)的核心，直接對變頻器運(yùn)行情況、電網(wǎng)過電壓等信息進(jìn)行采集；對來變頻器數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析、實(shí)施控制算法，得出對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方案，通過變頻調(diào)速器和接觸器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)（即水泵機(jī)組）進(jìn)行控制；變頻器是對水泵進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制的單元，其跟蹤水壓傳感器送來的模擬量信號改變調(diào)速泵的運(yùn)行頻率，完成對調(diào)速泵的轉(zhuǎn)速控制。

2、控制流程

首先啟動1號水泵電機(jī)工作在調(diào)速狀態(tài)。當(dāng)變頻器運(yùn)行頻率到達(dá)上限時，并穩(wěn)定運(yùn)行后，若此時管網(wǎng)壓力低于水壓設(shè)定值，則增加2號水泵。在PLC的邏輯控制下將1號水泵電機(jī)與變頻器連接的電磁開關(guān)斷開，1號水泵電機(jī)切換到工頻運(yùn)行，同時變頻器與2號水泵電機(jī)連接，使2號水泵電機(jī)工作在調(diào)速狀態(tài)。當(dāng)供水壓力大于設(shè)定值時，則需進(jìn)入減泵過程。此時變頻器輸出頻率降低，水泵電機(jī)速度下降，當(dāng)變頻器的輸出頻率達(dá)到下限，并穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后，把變頻器控制的水泵停機(jī)。如果此時兩臺水泵均在運(yùn)行，則減2號水泵，并使1號水泵電機(jī)工作在調(diào)速狀態(tài)。否則1號水泵停機(jī)。如果管網(wǎng)壓力仍大于設(shè)定值，則停機(jī)。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）主電路

主電路由空氣開關(guān)QF控制；變頻器電源由斷路器KM0控制；交流接觸器KM1、KM3控制1號泵、2號泵變頻運(yùn)行，KM2控制1號泵工頻運(yùn)行，F(xiàn)R1、FR2分別為兩臺水泵電機(jī)過載保護(hù)用的熱繼電器；FU為變頻器控制電源的熔斷器。

（二）控制電路主要功能

1、手動控制，當(dāng)對水泵進(jìn)行安裝檢修調(diào)試或壓力傳感器等不能正常工作時，可用手動控制方式控制水泵的起停。

2、自動控制，在系統(tǒng)正常時，該控制方式能根據(jù)用水量的變化，自動完成兩臺水泵的軟起動、停止、切換的全部操作。

3、水位保護(hù)，為防止在用戶水量很小時（例如晚間），蓄水池內(nèi)的水位過高而溢出水池，系統(tǒng)通過安裝在蓄水池上部的浮子式液位開關(guān)液位檢測裝置，將蓄水池高水位信號傳遞給PLC控制，發(fā)出聲光報(bào)警信號。

4、過載保護(hù)，當(dāng)變頻器過載時，變頻器自動停止輸出，以保護(hù)變頻器及水泵，并發(fā)出停止輸出信號至PLC控制，發(fā)出報(bào)警信號。

5、過電壓保護(hù)，當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)電壓過高，裝設(shè)有主電路上的過電壓保護(hù)裝置（型號：DJ-131）輸出過壓信號至PLC控制，PLC發(fā)出輸出停止信號跳電源斷路器，以保護(hù)變頻器及水泵。

三、PLC程序設(shè)計(jì)

（一）故障報(bào)警

作為一個控制系統(tǒng)，報(bào)警是必不可少的重要組成部分。為了保證系統(tǒng)安全、可靠、平穩(wěn)的運(yùn)行，防止因電機(jī)過載、變頻器報(bào)警、電網(wǎng)過大波動、儲水池水位過高造成故障，因此系統(tǒng)必須要對各種報(bào)警量進(jìn)行監(jiān)測，系統(tǒng)判斷報(bào)警類別，進(jìn)行顯示和保護(hù)動作控制，以免造成不必要的損失。

當(dāng)電網(wǎng)出現(xiàn)過電壓時，過電壓繼電器常開接點(diǎn)閉合，將信號出時輸出到PLC及信號控制回路，信號燈亮發(fā)出報(bào)警；當(dāng)220V AC/24V DC壓變模塊C1出現(xiàn)斷線故障時，壓變模塊C1常開接點(diǎn)斷開，信號燈靈。

PLC控制根據(jù)輸入點(diǎn)信號I0.5過電壓繼電器判斷主電源是否過壓、I0.7變頻器工作狀態(tài)是否正常、I1.4變頻器運(yùn)行是否過載，確定是否投入電源斷路器，以保護(hù)變頻器及水泵，并根據(jù)故障相應(yīng)報(bào)警。

四、總結(jié)

本系統(tǒng)中，PLC完成數(shù)據(jù)的采集和對變頻器、電機(jī)等設(shè)備的控制任務(wù)。PLC編程軟件采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，大量采用代碼重用，減少軟件的開發(fā)和維護(hù)。系統(tǒng)利用對PLC軟件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)變頻器的故障診斷和電機(jī)的控制。實(shí)現(xiàn)恒壓供水保證了供水的質(zhì)量，不要因?yàn)閴毫Φ牟▌釉斐晒┧恼系K；另一方面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)聲、光報(bào)警，保障供水的可靠性和安全性，保障設(shè)備的安全。

（作者單位：南昌市安義縣城市防洪工程管理站）